DE102010004824A1

DE102010004824A1 - V-Block Messvorrichtung zur Bestimmung optischer Materialkonstanten und Verfahren zur Bestimmung optischer Materialkonstanten mittels einer V-Block-Messvorrichtung

Info

Publication number: DE102010004824A1
Application number: DE201010004824
Authority: DE
Inventors: Axel Dr. 55218 Engel; Gerhard 55126 Westenberger; Lothar 55124 Bartelmess; Peter 55257 Fischer
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2010-01-15
Filing date: 2010-01-15
Publication date: 2011-07-21
Anticipated expiration: 2030-01-16
Also published as: DE102010004824B4

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung zur Messung des Brechwerts von Proben bereitzustellen, welche den Anforderungen eines hohen Probenaufkommens bei gleichzeitiger kostengünstiger Probenpräparation sowie hoher Messgenauigkeit des Brechwerts der Probe genügt. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden zur Bestimmung des Strahlablenkungswinkels an einem V-Block-Prisma sowohl die Optik mit dem Sensor, als auch das V-Block-Prisma selbst festgehalten, wobei der vom Prisma abgelenkte Lichtstrahl mittels eines drehbaren Umlenkspiegels auf den Sensor gelenkt wird.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Vorrichtungen zur Bestimmung optischer Materialkonstanten wie Brechungsindex und Dispersion. Im Speziellen betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, mit welcher eine Vermessung anhand von V- oder keilförmigen Proben durchgeführt wird.
Zur Bestimmung der absoluten Brechwerte und der Dispersion, insbesondere von optischen Materialien wie Gläsern oder transparenten Kunststoffen ist die sogenannte V-Block-Methode bekannt. Eine präzise Bestimmung ist über die Minimalablenkung möglich, bei welcher die Strahlablenkung für ein Prisma vermessen wird. Diese Methode hat den Nachteil, dass eine sehr genaue Bearbeitung des Prismas erforderlich ist. Weiterhin muss das Prisma eine sehr hohe optische Homogenität, also eine sehr geringe Varianz der globalen Brechwertverteilung aufweisen. Auch die Prüftemperatur sollte um höchstens 0,05°C variieren.
Die Messgenauigkeit dieses Verfahrens liegt für den Brechungsindex bei etwa 3·10^–6 bis 4·10^–6. Weiterhin liegt die Dauer für Messung und Auswertung einer Probe typischerweise bei etwa 8 bis 10 Stunden.
Für die Zwecke der Qualitäts- und Produktionskontrolle sind die Anforderungen an die Messgenauigkeit im Allgemeinen etwa eine Größenordnung geringer. Andererseits sind die Kosten für die Herstellung der Proben und der gesamte Zeitaufwand für die Prüfung höher, da typischerweise eine größere Anzahl von Proben zu vermessen ist.
Daher ist das oben genannte Verfahren der Minimalablenkung nicht oder nur schlecht geeignet für Prüfzwecke mit einem Probenaufkommen von typischerweise 20 bis 100 Proben pro Tag.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung zur Messung des Brechwerts von Proben bereitzustellen, welche den Anforderungen eines hohen Probenaufkommens bei gleichzeitiger hoher Messgenauigkeit des Brechwerts der Probe genügt.
Das erfindungsgemäße Messverfahren basiert auf der Berechnung der spektralen Brechzahlen aus Messwerten der Winkel der spektralen Lichtablenkung.
Die Erfindung wird nachfolgend genauer anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente.
Es zeigen:
1 anhand eines Strahlengangs das Messprinzip der Vorrichtung,
2 Details der Messvorrichtung,
3 schematisch weitere Elemente der Messvorrichtung,
4 eine Anordnung eines V-Block-Prismas mit mehreren Proben, und
5 die Aufhängung des V-Block-Prismas.
In 1 ist der Strahlengang durch einen Prüfkörper eines V-Block-Messsystems dargestellt, wie es für die Erfindung verwendet wird.
Die schematisch dargestellte Messvorrichtung 1 umfasst

– zumindest eine Lichtquelle 9, und
– einen prismatischen Körper 5 mit einer Lichteintrittsfläche 51 und einer Lichtaustrittsfläche 54, sowie eine durch zwei schräg zueinander angeordnete Prismenflächen 52, 53 begrenzte Aufnahme 50 für eine Probe 3. Die konkav geformte Aufnahme ist V-förmig ausgebildet. Das Prisma 5 wird daher nachfolgend auch als V-Block-Prisma bezeichnet.

In die Aufnahme 50 wird für die Messung eine Probe 3 mit zu den Prismenflächen 52, 53 des V-Block-Prismas korrespondierenden, beziehungsweise komplementären Prismenflächen 31, 32 eingesetzt, so dass sie zumindest teilweise vom Lichtstrahl 11 durchstrahlt wird.
Vorzugsweise wird ein rechter Winkel zwischen den beiden inneren Prismenflächen 52, 53 des V-Block-Prismas gewählt.
Wie anhand von 1 zu erkennen ist, sind die Lichtquelle 9 und das V-Block-Prisma 5 so zueinander angeordnet, dass ein von der Lichtquelle 9 abgestrahlter Lichtstrahl 11 nacheinander die Lichteintrittsfläche 51, die der Lichteintrittsfläche zugewandte Prismenfläche 52, im Messbetrieb die Probe 3, deren Probenflächen 31 und 32 mit für die Messung mit in der Brechzahl angepasster Immersionsflüssigkeit 7 benetzt werden, die der Lichtaustrittsfläche 54 zugewandte Prismenfläche 53 und dann die Lichtaustrittsfläche 54 passiert. Der austretende Lichtstrahl wird von einer Messvorrichtung 15 erfasst, mit welcher die Ablenkung des aus der Lichtaustrittsfläche 54 des Prismas austretenden Lichtstrahls 11 bestimmt werden kann.
Weist das Material der Probe 3 einen höheren Brechungsindex als das Material des V-Block-Prismas 5 auf, so wird der Lichtstrahl 11 um einen von der Brechungsindex-Differenz abhängigen Ablenkungswinkel 12 in Richtung vom ursprünglichen Strahl weg (in 1 nach oben) gebrochen. Ist umgekehrt der Brechungsindex der Probe 3 geringer als der Brechungsindex des V-Block-Prismas, erfolgt eine Ablenkung um einen Ablenkungswinkel 13 in Richtung vom ursprünglichen Strahl weg (in 1 nach unten). Zwischen die Probe 3 und die Prismenflächen 52, 53 der Aufnahme wird außerdem eine Immersionsflüssigkeit 7 eingebracht. Der zwischen den Prismenflächen 31, 32 der Probe 3 und den komplementären Prismenflächen 52, 53 der Aufnahme 50 vorhandene Film der Immersionsflüssigkeit verhindert große Brechungsindexsprünge an den Grenzflächen. Insbesondere ermöglicht eine gut an den Brechwert der Probe angepasste Immersionsflüssigkeit auch die Vermessung von nicht perfekt oberflächenbearbeiteten Proben. Damit reicht ein Schliff der Probenflächen 31 und 32 der Proben 3 und auf eine Politur kann sogar verzichtet werden. Um dazu eine gute Anpassung der Immersionsflüssigkeit an die Probenbrechzahl zu erreichen, wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, einen Satz von Immersionsflüssigkeiten zu verwenden, welcher in Brechungsindex-Sprüngen kleiner als 0,05, vorzugsweise kleiner 0,03 abgestuft ist. Als praktisches Beispiel wird ein Satz von 39 verschiedenen Immersionsflüssigkeiten mit Brechungsindizes zwischen 1,40 und 1,78 oder einem abweichenden Brechzahlbereich verwendet, bei welchen die Brechungsindizes in Stufen von 0,01 abgestuft sind.
Mit der Messvorrichtung wird nun diese Ablenkung, beziehungsweise eine zu dieser Ablenkung korrespondierende Größe erfasst. Bei bekannten Messvorrichtungen wird dazu ein auf einem Goniometer montiertes Teleskop verwendet. Bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 1 wird demgegenüber ein anderer Weg beschritten. Dies wird anhand von 2, welche ein Ausführungsbeispiel einer solchen Vorrichtung zeigt, näher erläutert. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden zur Bestimmung des Strahlablenkungswinkels am V-Block-Prisma sowohl die Optik 25 mit dem Sensor 27, als auch das V-Block-Prisma 5 selbst festgehalten, wobei der vom Prisma abgelenkte Lichtstrahl mittels eines drehbaren Umlenkspiegels 13 in auf den Sensor 27 gelenkt wird. Auch die Richtung des auf das V-Block-Prisma gerichteten einfallenden Lichtstrahls wird für eine Messung ortsfest gehalten.
Die Messung der Ablenkung basiert insbesondere auf einer Messeinrichtung 15 mit einem Sensor mit vorgeschalteter Optik und einem Umlenkspiegel 13, wobei der Umlenkspiegel 13 drehbar gehaltert ist und wobei eine Drehwinkelmesseinrichtung zur Bestimmung des Drehwinkels des Umlenkspiegels vorgesehen ist. Um einen Drehwinkel auszuwählen, ist eine geeignete Einstellvorrichtung zur Einstellung des Drehwinkels des Umlenkspiegels vorgesehen. Die dem Sensor vorgeschaltete Optik 25 der Messeinrichtung 15 ist fest gegenüber dem auf das V-Block-Prisma 5 gerichteten Lichtstrahl 11 der Lichtquelle 9 angeordnet.
Bei dem in 2 gezeigten Beispiel umfasst die fest angeordnete Optik ein Kameragehäuse 27 mit vorgeschaltetem Messfernrohr 25. Als Kamera im Kameragehäuse 27 kann beispielsweise eine CCD-Zeilenkamera verwendet werden. Für das Messfernrohr 25 wird vorzugsweise eine apochromatische Optik eingesetzt.
Als Drehwinkelmesseinrichtung dient bei dem in 2 gezeigten Beispiel ein Drehgeber (bzw. Drehwinkelmessgerät) 16 mit Auswertungselektronik. Vorzugsweise wird ein Drehgeber mit hoher Winkelauflösung verwendet. Insbesondere ist es günstig, wenn die Winkelauflösung mindestens 0,001°, vorzugsweise mindestens 0,0005° beträgt, um eine hohe Genauigkeit zu erzielen.
Der Umlenkspiegel 13 ist starr mit der Achse 17 des Drehgebers 16 oder allgemein der Drehwinkelmesseinrichtung verbunden. Im Speziellen ist der Umlenkspiegel 13 an einem Trägerarm 19 befestigt, welcher direkt auf der Achse 17 des Drehgebers 16, beziehungsweise allgemeiner einer Drehwinkelmesseinrichtung montiert ist. Damit wird eine Messungenauigkeit aufgrund eines Spiels bei der Übertragung der Drehbewegung des Umlenkspiegels 13 auf die Achse 17, wie sie etwa bei einer Übertragung mit Zahnrädern auftreten könnte, vermieden. Mit anderen Worten ist der drehbar gelagerte Umlenkspiegel mit einer Halterung – hier in Gestalt des Trägerarms 19 – direkt auf der Achse 17 eines Drehgebers 16 montiert.
Die Berechnung des Brechungsindex einer Probe für die jeweilige Wellenlänge des eingestrahlten Lichts basiert auf der Rückrechnung des abgelenkten Strahls nach dem Snelliusschen Brechungsgesetz.
Um eine exakte Bestimmung des Brechungsindex unter weitgehendster Vermeidung von nicht explizit gemessenen Parametern zu erreichen, werden in bevorzugter Weiterbildung der Erfindung folgende Parameter gemessen und bei der Berechnung der Brechzahlen der jeweiligen Probe 3 berücksichtigt:

– der Winkel zwischen der Lichteintrittsfläche 51 und der der Lichteintrittsfläche 51 zugewandten Prismenfläche 52 des jeweils verwendeten V-Block-Prismas 5,
– der Winkel zwischen den die Aufnahme 50 begrenzenden Prismenflächen 52 und 53 des jeweils verwendeten V-Block-Prismas 5,
– der Winkel zwischen der Lichtaustrittsfläche 54 und der der Lichtaustrittsfläche 54 zugewandten Prismenfläche 53 des jeweils verwendeten V-Block-Prismas 5,
– der Winkel zwischen den Prismenflächen 31, 32 der jeweils verwendeten Probe 3,
– der Einfallswinkel des Lichtstrahls (11) in die Messeinrichtung 15 ohne Beeinflussung durch das V-Block-Prisma 5,
– der Winkel zwischen der Normalen auf der Austrittsfläche 54 des jeweils verwendeten V-Block-Prismas 5 und der Messeinrichtung 15, beziehungsweise deren Blickwinkel.
Zusätzlich werden vorzugsweise auch noch die Brechzahlen des V-Block-Materials in Abhängigkeit der Wellenlänge des Lichtstrahls (11) und in Abhängigkeit von der Temperatur des V-Block-Prismas (5) gemessen oder zuvor gemessene Werte eingegeben. Weiterhin werden auch die wellenlängenabhängigen Brechzahlen der Immersionsflüssigkeiten 7, die sich zwischen den Probenflächen 31 und 32 und den Flächen 52 und 53 des jeweils verwendeten V-Block-Prismas 5 bei der Berechnung der Brechzahlen der jeweiligen Probe 3 berücksichtigt, um eine besonders exakte Rückrechung des Strahlverlaufs nach dem Snelliusschen Brechungsgesetz zu ermöglichen.

Weiterhin kann, wie oben bereits dargelegt, der Winkel zwischen der Normalen auf der Lichtaustrittsfläche 54 und der Messeinrichtung 15, beziehungsweise der Betrachtungsrichtung der Messeinrichtung 15 gemessen werden. Diese Messung wird mittels einer optischen Winkelmessungseinrichtung als Bestandteil der Messvorrichtung durchgeführt. Besonders bevorzugt wird eine lichtaustrittsseitig, beispielsweise im Kameragehäuse 27 angeordnete Autokollimationseinrichtung verwendet.
Die Messung des Winkels des auf die Lichteintrittsfläche 51 einfallenden Strahles, beziehungsweise des Einfallswinkels des Lichtstrahls (11) in die Messeinrichtung 15 ohne Beeinflussung durch das V-Block-Prisma 5 erfolgt in einfacher Weise mit der Messeinrichtung 15 ohne im Strahlengang angeordnetes V-Block-Prisma 5 in analoger Weise zu einer Brechzahlmessung mit durchstrahltem V-Block-Prisma.
Eine weitere Messungenauigkeit bei der Bestimmung des Drehwinkels kann durch eine Verbiegung des Trägerarms 19 aufgrund der auf den Trägerarm 19 einwirkenden Schwerkraft entstehen. Um dem entgegenzuwirken, wird der Trägerarm vorzugsweise, wie beispielhaft in 2 dargestellt, in Gestalt eines steifen, aber leichten Trägers ausgestaltet. Dazu wurde bei dem in 2 gezeigten Beispiel ein abgeflachter Träger mit Aussparungen verwendet. Die nicht mit Aussparungen versehenen oberen und unteren Bereiche des Trägerarms 19 ergeben damit zwei Trägerelemente, welche über die mittigen, nicht ausgesparten Bereiche miteinander verbunden sind.
Weiterhin ist bei dem in 2 gezeigten Beispiel ein an der Achse 17 befestigtes Gegengewicht 21 vorgesehen. Das Gegengewicht ist so bemessen, dass der Schwerpunkt der drehbaren Anordnung entlang der Drehachse 17 des Drehgebers liegt. Das Gegengewicht 21 dient dazu, ein Drehmoment auf der Achse des Antriebsmotors zu vermeiden und so mit einer geringen Antriebsleistung einen sauberen, ruckfreien Bewegungsablauf zu ermöglichen.
Allgemein ist bei dieser Weiterbildung der Erfindung also ein Drehgeber 16 als Bestandteil der Drehwinkelmesseinrichtung vorgesehen, wobei der Schwerpunkt der drehbaren Anordnung mit dem Umlenkspiegel auf der Drehachse 17 des Drehgebers 16 liegt. Eine leichte und verwindungssteife Aufhängung des Umlenkspiegels mit Schwerpunkt der Aufhängung auf der Drehgeber-Achse 17 ist für die erfindungsgemäße Messung mit bewegtem Umlenkspiegel 13 auch deshalb besonders vorteilhaft, da ein Fehler in der Winkelmessung doppelt in die Messgenauigkeit eingeht. Dies ist dadurch verursacht, da die Winkelverstellung des Spiegels eine doppelt so große Änderung des Winkels zwischen auftreffendem und reflektierten Lichtstrahl verursacht.
Insbesondere ist in besonders vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung, ohne Beschränkung auf die konkrete Ausgestaltung des in 2 gezeigten Ausführungsbeispiels der Messvorrichtung auch vorgesehen, dass der Antrieb des Drehgebers 16, beziehungsweise allgemein der Drehwinkelmesseinrichtung außeraxial am Trägerarm 19 erfolgt, wobei der Kraftangriffspunkt des Antriebs am Trägerarm 19 in Richtung auf den Schwerpunkt des Trägerarms 19 mit daran befestigtem Umlenkspiegel 13 zur Drehachse 17 des Drehgebers 16 versetzt ist. Vorzugsweise liegt der Kraftangriffspunkt dabei bei Ausrichtung des Umlenkspiegels auf die optische Achse der Beleuchtung auf einer vertikalen Linie durch den Schwerpunkt, also auf, oberhalb oder unterhalb des Schwerpunkts. Auf diese Weise wird ein geringes Antriebsmoment erzielt und auf den Trägerarm 19 wirkende Biegemomente, die aufgrund entsprechender Deformationen Messfehler verursachen können, werden reduziert. Um dies zu realisieren, ist ein am Antrieb, wie insbesondere einem Motor ein Antriebsarm 20 angebracht, welcher im Bereich des Schwerpunkts 190 des Trägerarms 19 über ein Koppelelement 18 mit dem Trägerarm 19 verbunden ist. Bei dem in 2 gezeigten Beispiel liegt der Schwerpunkt 190 des Trägerarms außerhalb des Trägerarms 19, im Speziellen unterhalb des Trägerarms 19 und das Koppelelement 18 ist entsprechend oberhalb des Schwerpunkts 190 am Trägerarm 19 befestigt. Diese Anordnung bewirkt eine minimale Deformation des Trägerarms 19 und minimale Belastung der Achse 17 des Drehgebers 16.
Weiterhin ist das V-Block-Prisma 5 so entlang der Richtung des einfallenden Lichtstrahls 11 positioniert, dass der gesamte Strahlaustrittswinkel, der bis zu ±45° gegenüber einem nicht abgelenkten Strahl betragen kann, mit möglichst minimaler Verschiebung auf der Eintrittsöffnung der Optik der Messeinrichtung (im Beispiel der 2 dementsprechend die Apertur des Messfernrohrs 25) erfasst wird. Damit wird der Einfluss des Öffnungsfehlers der Optik minimiert. Hierzu hat sich nicht etwa eine Position des V-Block-Prismas 5 im Bereich der Drehachse 16 als günstig erwiesen. Vielmehr ist überraschend eine Position des V-Block-Prismas 5 zwischen der Drehachse des Umlenkspiegels 13 (im Beispiel der 2 also die Drehachse 17 des Drehgebers 16) und dem Umlenkspiegel 13 günstig.
Gemäß dieser Weiterbildung der Erfindung ist also der Umlenkspiegel 13 beabstandet von dessen Drehachse gehaltert (bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 beabstandet durch den Trägerarm 19), wobei das V-Block-Prisma 5 in Längsposition entlang des einfallenden Lichtstrahls zwischen der Drehachse des Umlenkspiegels 13 und der Position des Umlenkspiegels angeordnet ist, bei welcher ein nicht im V-Block-Prisma 5 abgelenkter oder gerade durch das V-Block-Prisma hindurchgehender Lichtstrahl auf den Umlenkspiegel trifft.
In dieser Position ist mit anderen Worten der Umlenkspiegel so gedreht, dass der einfallende Lichtstrahl auf den Umlenkspiegel 13 (insbesondere mittig auf den Umlenkspiegel 13) gerichtet ist. Besonders bevorzugt ist eine in etwa mittige Position des V-Block-Prismas 5 zwischen dem Umlenkspiegel 13 und dessen Drehachse 16. Eine Abweichung von dieser Mittenposition um das 0,2-fache der Strecke zwischen dem Auftreffpunkt des Lichtstrahls 11 auf den Umlenkspiegel und der Drehachse hat im Allgemeinen aber noch keine erheblichen Auswirkungen auf die Verschiebung des Lichtstrahls auf die Optik.
Wie anhand von 2 zu erkennen ist, sind die Komponenten der Vorrichtung auf einer Schiene 37 montiert. Dies schafft eine besonders kompakte Bauweise und minimiert zudem Einflüsse von einwirkenden Vibrationen. Um einen kompakten Aufbau zu erreichen, ist der Detektor, hier speziell die Kamera 27 mit vorgeschaltetem Messfernrohr 25 mit Blickrichtung parallel zum von der Lichtquelle 9 abgegebenen Lichtstrahl 11 montiert.
Die Schiene 37 ist auf Füßen 38 montiert, die auf Schwingungsdämpfungselementen, hier in Form von O-Form-Lagern 39 ruhen, um Vibrationseinflüsse zu minimieren.
Um das durch das V-Block-Prisma transmittierte und vom Umlenkspiegel umgelenkte Licht in den Detektor zu richten, ist ein zweiter Umlenkspiegel 14 an der Vorrichtung 1 montiert, auf welchen das vom drehbaren ersten Umlenkspiegel 13 fällt. Demgemäß ist in Weiterbildung der Erfindung allgemein vorgesehen, dass die Messeinrichtung einen Detektor mit Blickrichtung parallel zur Richtung des von der Lichtquelle 9 emittierten Lichts umfasst, wobei der Lichtstrahl 11 über den Umlenkspiegel 13 und einen zweiten Umlenkspiegel 14 umgelenkt und damit in Richtung auf den Detektor geleitet wird. Die Anordnung von Detektor und Lichtquelle so dass die Blickrichtung des Detektors parallel zum einfallenden Lichtstrahl liegt, ergibt nicht nur einen kompakten Aufbau. Auch ist bei der Montage auf einem gemeinsamen Träger, wie bei dem in 2 gezeigten Beispiel der Einfluss von Durchbiegungen der Trägerstruktur geringer.
Um eine genaue Bestimmung des Brechwerts und der Dispersion der Probe 3 vornehmen zu können, wird Licht mit einem schmalbandigen Spektrum verwendet. Weiterhin ist für eine Bestimmung der Dispersion die Verwendung mehrerer unterschiedlicher Wellenlängen von Vorteil. Außerdem ist für die Genauigkeit der Messung ein möglichst genau definierter, gut begrenzter Parallelstrahl günstig.
Für diese Zwecke umfasst die Lichtquelle 9 bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel eine Leuchte 90 mit drei verschiedenen Spektrallampen 91, 92, 93. Jede dieser Spektrallampen 91, 92, 93 emittiert verschiedene Spektrallinien.
Ein geeigneter Satz von Spektrallampen umfasst eine Helium-Spektrallampe, eine Quecksilber-Spektrallampe und eine Cadmium-Spektrallampe.
Die Leuchte 90 umfasst weiterhin einen Selektionsspiegel 94, mit welchem das Licht der gewünschten Spektrallampe durch geeignete Positionierung durch die Austrittsapertur 95 der Leuchte gelenkt werden kann.
Zwischen der Austrittsapertur 95 der Leuchte 90 und dem Wechselrad 97 ist ein Kondensor 96 angeordnet. Ein geeignetes Material für die Kondensorlinse ist beispielsweise Quarz wegen höher Lichtdurchlässigkeit, besonders im kurzwelligen Spektralbereich.
Um die gewünschten Wellenlängen auszufiltern ist dem Kondensor 96 ein Wechselrad 97 mit mehreren, auf die Spektrallinien der Spektrallampen 91, 92, 93 abgestimmten Schmalband-Interferenzfiltern 970 nachgeschaltet. So können beispielsweise durch Kombination eines zu den Spektrallinien entsprechenden Filtersatzes neun Spektrallinien in einem Wellenlängenbereich von 365,0146 nm (i-Linie) bis 1013,98 nm (t-Linie) für die Messung verwendet werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel werden sieben Spektrallinien im Bereich von 404,6561 nm (h-linie) bis 706,5188 nm (r-Linie) verwendet.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind für eine automatisierte Umschaltung der Wellenlänge sowohl das Wechselrad 97, als auch der Selektionsspiegel 94 rechnergesteuert bewegbar. Damit können nacheinander bestimmte Wellenlängen des Lichtstrahls 11 für eine automatisierte Messung rechnergesteuert eingestellt werden. Beispielsweise kann der Filtersatz, hier speziell in Form des Wechselrades 96 motorisch und der Selektionsspiegel magnetisch bewegt ausgebildet sein.
Ein schmaler, genau definierter und möglichst paralleler Lichtstrahl wird schließlich mit einem Präzisions-Messspalt 98 erreicht, welcher einem Kollimationsfernrohr 23 vorgeschaltet ist. Mit dem Kondensor 96 wird die jeweilige ausgewählte Spektrallampe 91, 92, 93 auf den Messspalt 98 abgebildet. Das aus dem Kollimationsfernrohr 23 austretende Licht trifft dann auf das V-Block-Prisma 5. Vorzugsweise ist das Kollimationsfernrohr 23 ebenso wie das Messfernrohr 25 apochromatisch. Für das Kollimationsfernrohr 23 kann beispielsweise eine Brennweite von mindestens 300 Millimetern, vorzugsweise mindestens 400 Millimeter, beispielsweise 500 Millimeter gewählt werden. Das Kollimationsfernrohr 23 wird weiterhin vorzugsweise auf genauer als 0,5 Millimeter fokussiert. Die große Brennweite des Kollimations-Fernrohrs 23 sorgt für eine hohe Winkelauflösung.
Auch für die dem Kamerasensor vorgeschaltete Optik wird vorzugsweise eine lange Brennweite verwendet. Ebenso wie für das Kollimationsfernrohr 23 wird demgemäß in Weiterbildung der Erfindung daher auch für das Messfernrohr 25 eine Brennweite von mindestens 300, vorzugsweise mindestens 400 Millimetern gewählt.
Das Kameragehäuse 27 kann ein separates Okular 250 aufweisen, mit welchen die Justage der Anordnung geprüft werden kann. Um mit dem Okular 250 arbeiten zu können, ist ein Strahlteiler im Kameragehäuse 27 vorgesehen. In der Strahlteilereinrichtung des Okulars 250 ist außerdem eine Autokollimationseinrichtung zur Messung der Flächennormalen der Fläche 54 in 1 des V-Block-Prismas 5 integriert.
Für den Präzisions-Messspalt erweist sich eine Spaltbreite im Bereich von 50 bis 250 Mikrometern, vorzugsweise von 100 bis 150 Mikrometern als günstig, um eine hinreichend hohe Messgenauigkeit zu erzielen. Insbesondere wird die Spaltbreite vorzugsweise so gewählt, dass mehrere, vorzugsweise mindestens drei Pixel des Sensors,. beziehungsweise der Kamera beleuchtet werden. Dies ermöglicht eine Subpixel-Interpolation des Sensor-Signals und damit eine höhere Genauigkeit.
Weiterhin wird im Falle eines Matrixsensors der Sensor der Kamera 27 vorzugsweise im Line-Binning-Modus betrieben. Mit anderen Worten werden Pixel, die in Reihen senkrecht zur Ablenkungsrichtung des Lichtstrahls 11 angeordnet sind, gemeinsam ausgelesen. Damit wird die Empfindlichkeit des Sensors erheblich verbessert.
Das mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchführbare Messverfahren zur Bestimmung des Brechungsindex einer Probe 3 basiert entsprechend darauf,

– in einer durch zwei schräg zueinander angeordnete Prismenflächen 52, 53 begrenzten Aufnahme 50 eines V-Block-Prismas 5 eine Probe 3 anzuordnen, wobei die Probe zwei komplementär zu den die Aufnahme begrenzenden Prismenflächen 52, 53 geformte Prismenflächen 31, 32 aufweist,
– wobei die Lichtquelle 9 und das Prisma (5) so zueinander angeordnet sind, dass ein von der Lichtquelle 9 abgestrahlter Lichtstrahl 11 nacheinander die Lichteintrittsfläche des V-Block-Prismas 5, die der Lichteintrittsfläche zugewandte Prismenfläche 52, die Probe 3, deren Prismenflächen 31 und 32 mit vorzugsweise in der Brechzahl angepasster Immersionsflüssigkeit 7 benetzt werden, die der Lichtaustrittsfläche 54 zugewandte Prismenfläche 53 und dann die Lichtaustrittsfläche 54 passiert, und wobei
– mittels einer Messeinrichtung 15 den Ablenkwinkel des aus der Lichtaustrittsfläche 54 des V-Block-Prismas 5 austretenden Lichtstrahls 11 bestimmt wird, wobei die Messeinrichtung einen Sensor mit vorgeschalteter Optik und einen Umlenkspiegel 13 umfasst, wobei der Umlenkspiegel drehbar gehaltert ist und wobei
– eine Drehwinkelmesseinrichtung zur Bestimmung des Drehwinkels des Umlenkspiegels 13
– und eine Einstellvorrichtung zur Einstellung eines Drehwinkels des Umlenkspiegels 13 vorgesehen ist, und wobei die dem Sensor vorgeschaltete Optik der Messeinrichtung fest gegenüber dem auf das Prisma 5 gerichteten Lichtstrahl 11 der Lichtquelle 9 angeordnet ist, und wobei
– der Umlenkspiegel 13 so eingestellt wird, dass das Licht des Lichtstrahls 11 vom Sensor der Messeinrichtung 15 erfasst wird, und wobei die Ablenkung des Lichtstrahls 11 anhand der Auftreffposition des Lichstrahls 11 auf dem Sensor und dem erfassten Drehwinkel des Umlenkspiegels 13 und anhand dieser Ablenkung der Brechungsindex der Probe 3 zur Wellenlänge des Lichtstrahls 11 bestimmt wird. Die Brechzahlen des jeweils verwendeten V-Block-Prismas 5 sollten für die jeweils verwendeten Wellenlängen des Lichtstrahls 11 genau bekannt sein und werden bei der Berechnung der Brechzahlen der Probe 3 berücksichtigt. Hierbei wird auch die wellenlängenabhängige Brechzahl des V-Block-Prismas 5 als Funktion der Temperatur berücksichtigt. Ebenso sollten die Winkel des jeweils verwendeten V-Block-Prismas 5 zwischen den Flächen 51 und 52, 52 und 53 sowie 53 und 54 genau bekannt sein, ebenso die Winkel zwischen den Flächen 31 und 32 der Proben 3, und werden bei der Berechnung der Brechzahlen der Probe 3 berücksichtigt. Durch Messung der Flächennormale der Fläche 54 des V-Block-Prismas 5 mit einer geeigneten optischen Winkelmesseinrichtung, vorzugsweise mit Hilfe einer im Fernrohr 25 und/oder dem Kameragehäuse 27 eingebauten Autokollimationseinrichtung und des Winkels des Lichtstrahls 11, der nicht durch das V-Block-Prisma 5 beeinflusst wird, ist die genaue Positionierung des V-Block-Prismas 5 zum Fehrnrohr 25 bestimmbar und kann bei der Berechnung der Brechzahlen der Probe 5 berücksichtigt werden. Eine geringfügige vertikale Kippung des V-Block-Prismas 5 zum Lichtstrahl 11 führt somit nicht zu einem Fehler bei der Bestimmung der Brechzahlen der Probe 3. Diese Vorgehensweise erlaubt es auch, verschiedene V-Block-Prismen 5 mit jeweils auch verschiedenen Brechzahllagen und Winkeln zwischen deren Grenzflächen 51 bis 54 zu verwenden, ohne dass Justierungen notwendig sind.

Von Vorteil ist weiterhin die Anbringung einer Identifikationseinrichtung zur Unterscheidung der verschiedenen V-Block-Prismen. Hier kann z. B. ein passives Transpondersystem vom Typ RFID zum Einsatz kommen, wobei die Recheneinrichtung die Identifikation durchführen und die Parameter des jeweils verwendeten V-Block-Prismas selbstständig ermitteln kann. Somit können fehlerhafte Auswertungen der Messdaten bezüglich Brechzahlen des V-Block-Prismas und bezüglich der Winkel zwischen den Flächen des V-Block-Prismas vermieden werden.
Der Strahl-Ablenkwinkel oder eine dazu äquivalente Größe wird also mit anderen Worten aus der Überlagerung der Messwerte der Drehwinkelmesseinrichtung und des Winkels, der sich aus der Position des Lichtflecks in der Kamera unter Berücksichtigung der Brennweite des Fernrohres 25 ergibt, sowie der mit Hilfe der Autokollimationseinrichtung ermittelten Stellung des V-Block-Prismas berechnet, wobei die genaue Position des Lichtflecks auf der Kamera ohne Beeinflussung durch das V-Block-Prismas 5 berücksichtigt wird.
In bevorzugter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Erfassung des Drehwinkels des Umlenkspiegels 13 für eine bestimmte Wellenlänge, sowie die Erfassung der Position des Lichtflecks auf dem Sensor jeweils mehrfach, wobei die Messwerte gemittelt werden. Damit wird der Einfluss von Erschütterungen minimiert. Die mehrfache Erfassung ist insbesondere dann günstig, wenn zwischen den Messungen auch jeweils der Drehwinkel des Umlenkspiegels verändert wird. Damit ergeben sich zu den drei verschiedenen Werten des Drehwinkels des Umlenkspiegels 13 auch drei verschiedene Positionen des Lichtflecks auf dem Sensor. Eine geringfügige Verstellung des Umlenkspiegels 13 zwischen den Erfassungen kann auf diese Weise zur Erhöhung der Auswertungssicherheit führen, da jeweils eine entsprechende andere Position des Lichtflecks auf dem Sensor beleuchtet wird.
Um den Drehwinkel mit der Lichtfleck-Position auf dem Sensor korrelieren zu können, ist in Weiterbildung der Erfindung eine Recheneinrichtung 43 vorgesehen, welche mit der Drehwinkelmesseinrichtung, im Speziellen dem Drehgeber, sowie mit der Kamera 27 verbunden ist. Ein solcher Aufbau ist schematisch in 3 dargestellt. Auf diese Weise kann sowohl der Drehwinkel des Umlenkspiegels 13, als auch die Lichtfleckposition auf dem Sensor und daraus der resultierende Gesamt-Ablenkungswinkel am V-Block-Prisma 5 ermittelt werden.
Als Antrieb ist ein Motor 41 vorgesehen. Die Achse 17 des Drehgebers 16 ist mit der Achse 40 des Motors 41 nicht direkt gekoppelt. Vielmehr ist an der Achse 40 des Motors der Antriebsarm 20 befestigt, welcher, wie bereits anhand von 2 erläutert wurde, über ein Koppelelement 18 mit dem Trägerarm 19 verbunden, wobei die Koppelstelle als Kraftangriffspunkt vorzugsweise im Bereich des Schwerpunkts des Trägerarms angeordnet ist. Zwischen der Achse 17 des Drehgebers 16 und der Achse 40 des Motors 41 kann ein Ausrichtungsfehler vorliegen. Dieser Fehler kann dabei sowohl ein seitlicher Versatz, als auch ein Winkel zwischen den Achsen sein. Bei einer solchen Fehlausrichtung können bei der Rotation der Anordnung aus Trägerarm 19 und Antriebsarm 20 Biegemomente entstehen, welche zu einer Deformation des Trägerarms führen und damit die Messergebnisse verfälschen. Um diesem Effekt vorzubeugen, ist in Weiterbildung der Erfindung ein Kupplungselement 180 zwischen Antriebsarm 20 und Trägerarm 20 vorgesehen, welches tangentiale Kräfte, also Kräfte entlang der Drehrichtung bevorzugt überträgt. Beispielsweise kann das Kupplungselement 180 elastisch oder beweglich entlang der axialen und/oder radialen Richtung ausgebildet sein. Die axiale und radiale Richtung, entlang derer eine große Kraftübertragung vermieden wird, sind durch Doppelpfeile am Kupplungselement 180 in 3 gekennzeichnet.
Bevorzugt ist weiterhin, wie auch bei dem in 3 gezeigten Beispiel das Gegengewicht 21 an der Motorachse 40 befestigt. Möglich ist aber auch eine Befestigung am Drehgeber.
Der Motor 41 wird von einer Recheneinrichtung 43 gesteuert. Insbesondere kann dieser Rechner 43 auch an die Drehwinkelmesseinrichtung, im Speziellen also den Drehgeber 16 angeschlossen sein. Die Einstellung eines Drehwinkels des Umlenkspiegels 13 kann im einfachsten Fall manuell erfolgen. Geeignet ist aber insbesondere eine Motorsteuerung. Dazu ist bei dem in 3 gezeigten Beispiel die Achse 17 des Drehgebers 16 mit der Achse 40 eines Motors 41 gekoppelt. Der Motor 41 wird nun seinerseits vom Rechner 43 gesteuert. Demgemäß ist allgemein in Weiterbildung der Erfindung eine Recheneinrichtung 43 vorgesehen, welche an die Drehwinkelmesseinrichtung angeschlossen ist und welche die Einstellvorrichtung zur Einstellung eines Drehwinkels des Umlenkspiegels 13 steuert, und wobei die Recheneinrichtung 43 nach Einstellung eines Drehwinkels dessen Wert anhand des Messwertes der Drehwinkelmesseinrichtung ermittelt.
Um das Messverfahren effizienter zu gestalten, können in einem V-Block-Prisma auch mehrere Proben sukzessive ohne einen Probenwechsel, z. B. durch horizontale Verschiebung des V-BlockPrismas 5 senkrecht zur Strahlachse des Lichtstrahls 11 vermessen werden. Eine entsprechende Anordnung dazu zeigt 4.
Diese Weiterbildung der Erfindung basiert darauf, dass in der Aufnahme 50 des V-Block-Prismas 5 mehrere Proben 300, 301 nebeneinander angeordnet werden, wobei die Brechungsindizes der Proben 300, 301, 302 nacheinander vermessen werden, indem nach der Vermessung eines Brechungsindex einer der Proben 300, 301, 302 das V-Block-Prisma 5 mit den eingesetzten Proben 300, 301, 302 quer zum einfallenden Lichtstrahl 11 verschoben wird, so dass eine weitere der Proben 300, 301, 302 vom Lichtstrahl 11 durchleuchtet wird.
Im Beispiel sind drei Proben 300, 301, 302 nebeneinander in die Aufnahme 50 eingesetzt. In der Praxis bietet es sich auch an, die Proben zu einem Riegel zusammenzukitten und den Riegel einzusetzen. Anders als in der vereinfachten Darstellung der 4 können mehr als drei, beispielsweise bis zu zehn Proben in die Aufnahme 50 eines entsprechend lang geformten V-Block-Prismas 5 eingesetzt werden.
Um die Messung zu automatisieren, ist ein Probenselektionsspalt 29 in Richtung des einfallenden Lichts gesehen vor dem V-Block-Prisma 5 angeordnet. Mit dem Probenselektionsspalt 29 wird der Lichtstrahl 11 so seitlich begrenzt, dass dessen Breite kleiner als die Breite der eingesetzten Proben ist.
Das V-Block-Prisma 5 ist auf einem Schlitten 45 angeordnet. Dieser Schlitten ist in Richtung quer, insbesondere senkrecht zur Lichteinfallsrichtung entlang der V-förmigen Aufnahme 50 beweglich. Durch eine solche Bewegung können dann die einzelnen Proben 300, 301, 302 nacheinander vor dem Probenselektionsspalt 29 angeordnet und vermessen werden. Die Einstellung der Position des Schlittens 45 erfolgt vorzugsweise mittels eines Motors 47, welcher von der Recheneinrichtung 43 gesteuert wird. Die Recheneinrichtung 43 kann dabei dazu eingerichtet sein, den Vorschub des Schlittens bis zur Positionierung der nächstens Probe zu berechnen und den Motor entsprechend anzusteuern.
Um das Problem einer hohen Messgenauigkeit auch bei einer gegebebenfalls nicht exakten Anpassung des Brechungsindex der Probe und der Immersionsflüssigkeit zu lösen, wird als weitere Verbesserung vorgeschlagen, eine Referenzprobe, beispielsweise bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel die Probe 300 einzusetzen. Diese Weiterbildung der Erfindung basiert darauf, dass also zusätzlich zu zumindest einer Probe 301, 302 eine Referenz-Probe 300 in die Aufnahme 50 des V-Block-Prismas 5 eingesetzt wird, deren Brechungsindex bekannt ist, und wobei anhand der Messungen der Brechwerte der zumindest einen Probe 301, 302 und der Referenz-Probe 300 die Brechungsindex-Abweichung zwischen der zumindest einen Probe 301, 302 und der Referenz-Probe 300 bestimmt und der Brechungsindex der zumindest einen Probe 301, 302 anhand des bekannten Brechungsindex der Referenz-Probe 300 und der bestimmten Abweichung errechnet wird. Besonders vorteilhaft ist es bei der Verwendung einer Referenz-Probe 300, wenn diese zusammen mit den zu messenden Proben 301, 302 mechanisch zugerichtet wurde, so dass der Winkel der Probenflächen der Referenz-Probe mit dem Winkel der Probenflächen der zu messenden Proben 301, 302 übereinstimmt.
Um den Brechwert der Referenz-Probe 300 zu bestimmen, kann beispielsweise die Minimalablenkungsmethode an einem Prisma verwendet werden. Diese Methode hat eine Präzision, die noch höher ist, als die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 erzielbare Messgenauigkeit. Im Speziellen kann der Brechungsindex nochmals um einen Faktor 7 bis 8 präziser bestimmt werden. Für die Messgenauigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung konnte eine Präzision von besser als ±3·10^–5 bei einem Vertrauensbereich σ = 3 verifiziert werden. Diese ist zwar geringer als bei der bereits in der Einleitung beschriebene Minimalablenkungsmethode, allerdings wie gesagt erheblich schneller. Bei der Bestimmung der Dispersion mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung konnte sogar eine noch höhere Genauigkeit von ±2·10^–5 bei einem Vertrauensbereich σ = 3 nachgewiesen werden.
Für eine präzise Messung ist weiterhin eine genaue Ausrichtung des V-Block-Prismas zum einfallenden Lichtstrahl 11 von Vorteil. Um eine genaue Justierung auch beim Wechseln des V-Block-Prismas 5 zu erreichen wird eine doppelte Dreipunkt-Auflage des V-Block-Prismas 5 vorgeschlagen. Diese Aufhängung des V-Block-Prismas 5 ist in 5 illustriert. Insgesamt wird das V-Block-Prisma 5 an sechs Auflagepunkten 60, 61, 62, 63, 64 und 65 gehaltert. Zwei Auflagepunkte 61, 62 befinden sich seitlich an der Lichteintritts- oder Lichtaustrittsfläche 51, beziehungsweise 54. Ein weiterer Auflagepunkt ist an der gegenüberliegenden Fläche angeordnet, wobei die drei Punkte in Richtung auf die Aufnahme 50 betrachtet ein Dreieck bilden.
Da erfindungsgemäß vorzugsweise mehrere Größen, wie etwa der Winkel der Lichtaustrittsfläche 54 gemessen und bei der Berechnung des Brechungsindex berücksichtigt werden, ist eine exakte Ausrichtung des V-Block-Prismas nach einmaliger Einjustierung nicht mehr erforderlich, ohne dass die Messgenauigkeit erheblich abnimmt. In Weiterbildung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass nacheinander verschiedene V-Block-Prismen mit verschiedenen Brechzahllagen verwendet werden und darin angeordnete Proben vermessen werden, ohne dass nach einem Wechsel eines V-Block-Prismas erneut die Ausrichtung des V-Block-Prismas, etwa mittels einer wie in 5 gezeigten Doppel-Dreipunkt-Auflage justiert wird.
Zusätzlich sind an der Fläche 55, die der Aufnahme 50 gegenüberliegt, drei weitere Auflagepunkte 63, 64, 65 vorhanden, welche ebenfalls in Richtung auf die Aufnahme 50 betrachtet ein Dreieck bilden. Die Auflagepunkte können über Stellschrauben realisiert werden, so dass durch Einstellung der Stellschrauben eine Verkippung des V-Block-Prismas, sowie auch eine Translation in alle Raumrichtung ermöglicht wird.
Nachfolgend wird der Messvorgang anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
Zunächst wird die Vorrichtung 1 kalibriert. Zur Kalibrierung der Drehwinkelmesseinrichtung wird ein interner Referenzpunkt eines elektronischen Teilkreises des Drehgebers 16 überfahren und damit die Winkelzähleinrichtung genullt.
Vor und nach jeder Messreihe, also vor und nach einem Satz von in einem V-Block-Prisma eingelegten Proben wird der Wert des vertikalen Winkels des Lichtstrahls ermittelt und überprüft. Damit wird die Position eines nicht im Prisma abgelenkten Lichtstrahls als Referenz für die Bestimmung der Ablenkung an einem mit Proben versehenen V-Block-Prisma bestimmt. Alle im Folgenden bestimmten Messwerte der Ablenkungswinkel der aus der Austrittsfläche des V-Block-Prismas austretenden Lichtstrahlen werden auf diese Daten bezogen und geringe Änderungen der Strahlposition, beispielsweise aufgrund einer thermischen Deformation werden auf diese Weise kompensiert.
Weiterhin wird der vertikale Winkel der Austrittsfläche des V-Block-Prismas optisch mit Hilfe einer Winkelmesseinrichtung, wie vorzugsweise der oben beschriebenen Autokollimationseinrichtung ermittelt und bei der Datenweiterverarbeitung berücksichtigt.
Der Messablauf ist gemäß einem Ausführungsbeispiel wie folgt:
Nachdem das für die Proben geeignete V-Block-Prisma 5 anhand des zu erwartenden Brechnungsindex der Proben ausgewählt, die Proben 3 mit der geeigneten, ebenfalls anhand des zu erwartenden Brechungsindex ausgewählten Immersionsflüssigkeit in die Aufnahme des V-Block-Prismas eingesetzt und alle Justierungen wie oben beschrieben vorgenommen wurden, wird eine Spektrallinie einer der Spektrallampen ausgewählt und mehrfach der Leuchtfleck auf dem Sensor der Kamera aufgenommen. Allgemein ist es günstig, mehrere V-Block-Prismen 5 mit unterschiedlichen Brechungsindex zu verwenden und unter den vorhandenen V-Block-Prismen 5 für die Messung dasjenige auszuwählen, welches die geringste zu erwartende Abweichung des Brechungsindex zum Brechungsindex der Probe 3 aufweist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden mehrere V-Block-Prismen mit Brechungsindizes zwischen 1,3 und 2,2 bereitgestellt.
Wie oben beschrieben ist der Messspalt 98 so eingestellt, dass mehrere Pixel des Sensors der Kamera 27 vom Leuchtfleck ausgeleuchtet werden. Zur Bestimmung der Position des Leuchtflecks wird an die Signale der Pixel eine geeignete Funktion, z. B. einer Gaußfunktion, angepasst und deren Maximum bestimmt. Weiterhin können auch die Breiten der Kurven, z. B. Gaußkurven, ausgewertet werden. Die aus den Schwerpunkten der angefitteten Kurven ermittelten Winkel werden zur Berechnung der Brechzahlen verwendet. Durch das Anpassen von geeigneten Funktionen erreicht man eine Auflösung der Position des Lichtflecks auf der Kamera, die deutlich besser als der Abstand zweier benachbarter Kamerapixel ist (Subpixelinterpolation).
Die Berechnung der Brechzahl erfolgt im Einzelnen durch Durchrechnung des einfallenden Strahls bis zur Prismenfläche 31, Durchrechnung des austretenden Strahls bis zur Prismenfläche 32, daraus Bestimmung des Einfalls- und Austrittswinkels an der Probe und dem Probenwinkel.
Nach der Messung werden die Brechzahlen zu momentanem Luftdruck und der während der Messung erfassten Temperatur gespeichert.
Um vergleichbare Standard-Werte für die Brechungsindizes zu erhalten, werden die Brechzahlen auf die Werte bei 22°C umgerechnet. Als Ergebnis liegen damit Brechzahlen zu standardisierten Bedingungen vor.
Die Berechnung von Brechzahlen bei weiteren Wellenlängen im gemessenen Spektralbereich kann durch Anpassung einer geeigneten Funktion, z. B. der Sellmeier-Dispersionsformel oder der Hartmann-Dispersionsformel, an die Messwerte vorgenommen werden.
Bezugszeichenliste

1: Messvorrichtung
3, 301, 302: Probe
5: V-Block Prisma
7: Immersionsflüssigkeit
9: Lichtquelle
11: Lichtstrahl
13: Umlenkspiegel
14: zweiter Umlenkspiegel
15: Messeinrichtung
16: Drehgeber bzw. Drehwinkelmessgerät
17: Achse von 16
18: Koppelelement
19: Trägerarm
20: Antriebsarm
21: Gegengewicht
23: Kollimationsfernrohr
25: Messfernrohr
27: Kameragehäuse
29: Probenselektionsspalt
31, 32: Prismenflächen von 3
37: Schiene
38: Fuß
39: O-Form-Lager
40: Achse 40 von 41
41: Motor
43: Recheneinrichtung
45: Schlitten für 5
47: Motor für 45
51: Lichteintrittsfläche von 5
52, 53: innere Prismenflächen von 5
54: Lichtaustrittsfläche von 5
55: Fläche von 5 gegenüber 50
60, 61, 62,
63, 64, 65: Auflagepunkte der Halterung von 5
90: Leuchte
91, 92, 93: Spektrallampen von 90
94: drehbarer Selektionsspiegel von 9
95: Austrittsapertur von 90
96: Kondensor
97: Wechselrad
98: Messspalt
180: Kupplungselement
190: Schwerpunkt von 19
250: Okular von 25
300: Referenz-Probe
970: Schmalband-Interferenzfilter

Claims

Messvorrichtung (1) zur Bestimmung optischer Konstanten von Proben (3), umfassend – zumindest eine Lichtquelle (9), und – ein V-Block-Prisma (5) mit einer Lichteintrittsfläche (51) und einer Lichtaustrittsfläche (54), sowie eine durch zwei schräg zueinander angeordnete Prismenflächen (52, 53) begrenzte Aufnahme (50) für eine Probe (3) – wobei die Lichtquelle (9) und das V-Block-Prisma (5) so zueinander angeordnet sind, dass ein von der Lichtquelle (9) abgestrahlter Lichtstrahl (11) nacheinander die Lichteintrittsfläche, die der Lichteintrittsfläche zugewandte Prismenfläche (52), die der Lichtaustrittsfläche (54) zugewandte. Prismenfläche (53) und dann die Lichtaustrittsfläche (54) passiert, wobei die Messvorrichtung weiterhin – eine Messeinrichtung (15) umfasst, mit welcher der Ablenkwinkel des aus der Lichtaustrittsfläche (54) des V-Block-Prismas (5) austretenden Lichtstrahls (11) bestimmbar ist, wobei die Messeinrichtung einen Sensor mit vorgeschalteter Optik und einen Umlenkspiegel umfasst, wobei der Umlenkspiegel drehbar gehaltert ist und wobei – eine Drehwinkelmesseinrichtung zur Bestimmung des Drehwinkels des Umlenkspiegels – und eine Einstellvorrichtung zur Einstellung eines Drehwinkels des Umlenkspiegels vorgesehen ist, und wobei die dem Sensor vorgeschaltete Optik der Messeinrichtung fest gegenüber dem auf das V-Block Prisma (5) gerichteten Lichtstrahl (11) der Lichtquelle (9) angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß dem vorstehenden Anspruch, wobei. die Messeinrichtung einen Detektor mit Blickrichtung parallel zur Richtung des von der Lichtquelle (9) emittierten Lichts umfasst, und wobei der Lichtstrahl über den Umlenkspiegel (13) und einen zweiten Umlenkspiegel (14) umgelenkt und damit in Richtung auf den Detektor geleitet wird.
Vorrichtung gemäß einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der drehbar gelagerte Umlenkspiegel (13) mit einer Halterung direkt auf der Achse (17) eines Drehgebers (16) montiert ist.
Vorrichtung gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb des Drehgebers (16) mit daran befestigtem Trägerarm (19) außeraxial am Trägerarm (19) angreift, wobei der Kraftangriffspunkt des Antriebs am Trägerarm (19) in Richtung auf den Schwerpunkt (190) des Trägerarms 19 mit daran befestigtem Umlenkspiegel (13) zur Drehachse (17) des Drehgebers (16) versetzt ist, vorzugsweise so versetzt, dass bei Ausrichtung des Umlenkspiegels (13) auf die optische Achse der Beleuchtung der Kraftangriffspunkt auf einer vertikalen Linie durch den Schwerpunkt (190) liegt.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drehgeber (16) als Bestandteil der Drehwinkelmesseinrichtung vorgesehen ist, wobei der Schwerpunkt der drehbaren Anordnung mit dem Umlenkspiegel (13) auf der Drehachse (17) des Drehgebers (16) liegt.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher der Umlenkspiegel (13) beabstandet von dessen Drehachse gehaltert ist, wobei das V-Block-Prisma (5) in Längsposition entlang des einfallenden Lichtstrahls zwischen der Drehachse (16) des Umlenkspiegels (13) und der Position des Umlenkspiegels (13) angeordnet ist, bei welcher ein gerade durch das Prisma (5) hindurchgehender Lichtstrahl (11) auf den Umlenkspiegel (13) trifft.
Verfahren zur Bestimmung des Brechungsindex einer Probe (3), bei welchem – in einer durch zwei schräg zueinander angeordnete Prismenflächen (52, 53) begrenzten Aufnahme (50) eines V-Block-Prismas (5) eine Probe (3) angeordnet wird, wobei die Probe (3) zwei komplementär zu den die Aufnahme begrenzenden Prismenflächen (52, 53) geformte Prismenflächen (31, 32) aufweist, und wobei deren Prismenflächen (31, 32) mit Immersionsflüssigkeit (7) benetzt werden. – wobei die Lichtquelle (9) und das Prisma (5) so zueinander angeordnet sind, dass ein von der Lichtquelle (9) abgestrahlter Lichtstrahl (11) nacheinander die Lichteintrittsfläche (51) des V-Block-Prismas (5), die der Lichteintrittsfläche (51) zugewandte Prismenfläche (52) der Aufnahme (50), die in der Aufnahme (50) angeordnete Probe (3), die der Lichtaustrittsfläche (54) zugewandte Prismenfläche (53) und dann die Lichtaustrittsfläche (54) passiert, und wobei -mittels einer Messeinrichtung (15) der Ablenkwinkel des aus der Lichtaustrittsfläche 54 des V-Block-Prismas 5 austretenden Lichtstrahls (11) bestimmt wird, wobei die Messeinrichtung einen Sensor mit vorgeschalteter Optik und einen Umlenkspiegel (13) umfasst, wobei der Umlenkspiegel drehbar gehaltert ist und wobei – eine Drehwinkelmesseinrichtung zur Bestimmung des Drehwinkels des Umlenkspiegels (13) – und eine Einstellvorrichtung zur Einstellung eines Drehwinkels des Umlenkspiegels (13) vorgesehen ist, und wobei die dem Sensor vorgeschaltete Optik der Messeinrichtung (15) fest gegenüber dem auf das Prisma (5) gerichteten Lichtstrahl (11) der Lichtquelle (9) angeordnet ist, und wobei der Umlenkspiegel (13) so eingestellt wird, dass das Licht des Lichtstrahls vom Sensor der Messeinrichtung erfasst wird, und wobei der Ablenkwinkel des Lichtstrahls anhand der Auftreffposition des Lichstrahls (11) auf dem Sensor und dem erfassten Drehwinkel des Umlenkspiegels (13) und anhand der Ablenkung der Brechungsindex der Probe (3) zur Wellenlänge des Lichtstrahls (11) bestimmt wird.
Verfahren gemäß dem vorstehenden. Anspruch, wobei die Erfassung des Drehwinkels des Umlenkspiegels (13) für eine bestimmte Wellenlänge, sowie die Erfassung der Position des Lichtflecks auf dem Sensor jeweils mehrfach vorgenommen wird, wobei die Messwerte gemittelt werden.
Verfahren gemäß einem der beiden vorstehenden Ansprüche, wobei eine Recheneinrichtung vorgesehen ist, welche an die Drehwinkelmesseinrichtung angeschlossen ist und welche die Einstellvorrichtung zur Einstellung eines Drehwinkels des Umlenkspiegels (13) steuert, wobei die Recheneinrichtung (43) nach Einstellung eines Drehwinkels dessen Wert anhand des Messwertes der Drehwinkelmesseinrichtung ermittelt.
Verfahren gemäß einem der drei vorstehenden Ansprüche, wobei in der Aufnahme (50) des V-Block-Prismas (5) mehrere Proben (300, 301, 302) nebeneinander angeordnet werden, und wobei die Brechungsindizes der Proben (300, 301, 302) nacheinander vermessen werden, indem nach der Vermessung eines Brechungsindex einer der Proben (300, 301) das V-Block-Prisma (5) mit den eingesetzten Proben (300, 301, 302) quer zum einfallenden Lichtstrahl (11) verschoben wird, so dass eine weitere der Proben (300, 301, 302) vom Lichtstrahl (11) durchleuchtet wird.
Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, wobei zusätzlich zu zumindest einer Probe (301, 302) eine Referenz-Probe (300) in die Aufnahme (50) des V-Block-Prismas (5) eingesetzt wird, dessen Brechungsindex bekannt ist, und wobei anhand der Messungen der Brechwerte der zumindest einen Probe (301, 302) und der Referenz-Probe (300) die Brechungsindex-Abweichung zwischen der zumindest einen Probe (301, 302) und der Referenz-Probe (300) bestimmt und der Brechungsindex der zumindest einen Probe (301, 302) anhand des bekannten Brechungsindex der Referenz-Probe (300) und der bestimmten Abweichung errechnet wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden fünf Ansprüche, wobei nacheinander verschiedene V-Block-Prismen mit verschiedenen Brechzahllagen verwendet werden und darin angeordnete Proben vermessen werden, ohne dass nach einem Wechsel eines V-Block-Prismas erneut die Ausrichtung des V-Block-Prismas justiert wird.
Verfahren gemäß einem der sechs vorstehenden Ansprüche, wobei folgende Parameter gemessen und bei der Berechnung der Brechzahlen der jeweiligen Probe (3) berücksichtigt werden: – der Winkel zwischen der Lichteintrittsfläche (51) und der der Lichteintrittsfläche (51) zugewandten Prismenfläche (52) des jeweils verwendeten V-Block-Prismas (5), – der Winkel zwischen den die Aufnahme (50) begrenzenden Prismenflächen (52, 53) des jeweils verwendeten V-Block-Prismas (5), – der Winkel zwischen der Lichtaustrittsfläche (54) und der der Lichtaustrittsfläche (54) zugewandten Prismenfläche (53) des jeweils verwendeten V-Block-Prismas (5), – der Winkel zwischen den Prismenflächen (31, 32) der jeweils verwendeten Probe (3), – der Einfallswinkel des Lichtstrahls (11) in die Messeinrichtung (15) ohne Beeinflussung durch das V-Block-Prisma (5), – der Winkel (12) bzw. (13) des aus der Austrittsfläche (54) des V-Block-Prismas (5) austretenden Strahls zur Messeinrichtung (15), – der Winkel zwischen der Normalen auf der Austrittsfläche (54) des jeweils verwendeten V-Block Prismas (5) und der Messeinrichtung (15).
Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, wobei die wellenlängenabhängigen Brechzahlen der Immersionsflüssigkeiten (7), die sich zwischen den Probenflächen (31) und (32) und den Flächen (52) und (53) des jeweils verwendeten V-Block-Prismas (5) bei der Berechnung der Brechzahlen der jeweiligen Probe (3) berücksichtigt werden.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 7 bis 14, wobei die Brechzahlen des V-Block-Materials in Abhängigkeit der Wellenlänge des Lichtstrahls (11) und in Abhängigkeit von der Temperatur des V-Block-Prismas (5).